继电保护的八个实验

. . . . 实验一 6-10KV 线路过流保护实验一实验目的1掌握过流保护的电路原理，深入认识继电器保护自动装置的二次原理接线图和展开接线图。2进行实际接线操作，掌握过流保护的整定调试和动作试验方法。二预习与思考1为什么要选定主要继电器的动作值，并且进行整定？2过电流保护中哪一种继电器属于测量元件？三原理说明 电力自动化与继电保护设备称为二次设备，二次设备经导线或控制电缆以一定的方式与其他电气设备相连接的电路称为二次回路，或叫二次接线。二次电路图中的原理接线图和展开接线图是广泛应用的两种二次接线图。它是以两种不同的型式表示同一套继电保护电路。1.原理接 线图 图1-1 610KV线路的过电流保护原理接线图 原理接线图用来表示继电保护和自动装置的工作原理。所有的电器都以整体的形式绘在一图上，相互联系的流回路、电压电路和直流回路都综合在一起，为了表明这种回路对一次回路的作用，将一次回路的有关部分也画在原理接线图里，这样就能对这个回路有一个明确的整体概念。图1-1表示610KV线路的过电流保护原理接线图，这也是最基本的继电保护电路。图1-2 线路过电流保护展开图从图1-1中可以看出，整套保护装置由五只继电器组成，电流继电器KA2KA1的线圈接于A、C两相电流互感器的二次线圈回路中，即两相两继电器式接线。当发生三相短路或任意两相短路时，流过继电器的电流超过整定值，其常开触点闭合，接通了时间继电器KT的线圈回路，直流电源电压加在时间继电器KT的线圈上，使其起动，经过一定时限后其延时触点闭合，接通信号继电器KS和保护出口中间继电器KM的线圈回路、二继电器同时起动，信号继电器KS触点闭合，发出610KV过流保护动作信号并自保持，中间继电器KM起动后把断路器的辅助触点和跳闸线圈YR二者串联接到直流电源中，跳闸线圈YR通电，跳闸电铁磁励磁，脱扣机构动作，使断路器跳闸，切断故障电路，断路器QF跳闸后，辅助触点分开，切断跳闸回路。原理接线图主要用来表示继电保护和自动装置的工作原理和构成这套装置所需要的设备，它可作为二次回路设计的原始依据。由于原理接线图上各元件之间的联系是用整体连接表示的，没有画出它们的部接线和引出端子的编号、回路的编号；直流仅标明电源的极性，没有标出从何熔断器下引出；信号部分在图中仅标出“至信号”，无具体接线。因此，只有原理接线图是不能进行二次回路施工的，还有其他一些二次图纸配合才可，而展开接线图就是其中的一种。2.展开接线图展开接线图是将整个电路图按交流电流回路、交流电压回路和直流回路分别画成几个彼此独立的部分，仪表和电器的电流线圈、电压线圈和触点要分开画在不同的回路里，为了避免混淆，属于同一元件的线圈和触点采用一样的文字符号。展开接线图一般是分成交流电流回路、交流电压回路、直流操作回路和信号回路等几个主要组成部分。每一部分又分成若干行，交流回路按a、b、c的相序，直流回路按继电器的动作顺序各行从上至下排列。每一行中各元件的线圈和触点按实际连接顺序排列，每一回路的右侧标有文字说明。展开接线图中的图形符号和文字符号是按国家统一规定的图形符号和文字符号来表示的。二次接线图中所有开关电器和继电器的触点都按照它们的正常状态来表示，即指开关电器在非动作状态和继电器线圈断电的状态。因此，所谓的常开（动合）触点就是继电器线圈不通电时，该触点断开，常闭（动断）触点则相反。图11-2是根据11-1所示的原理接线图而绘制的展开接线图。左侧是保护回路展开图，右侧是示意图。从中可看出，展开接线图由交流电流回路、直流操作回路和信号回路三部分组成。交流电流回路由电流互感器TA的二次绕组供电，电流互感器又装在A、C两相上，其二次绕组各接入一个电流继电器线圈，然后用一根公共线引回构成不完全星形接线。直流操作回路中，画在两侧的竖线表示正、负电源。横线条中上面两行为时间继电器起动回路，第三行为信号继电器和中间继电器起动回路，第四行为信号指示回路，第五行为跳闸回路。四实验设备序号设备名称使 用 仪 器 名 称数量1控制屏12EPL-01C断路器与触点控制回路13EPL-41电阻盘I14EPL-04继电器（一）DL-21C电流继电器15EPL-05继电器（二）DS-21时间继电器16EPL-06继电器（四）DZ-31B中间继电器17EPL-07继电器（五）DX-8信号继电器18EPL-12B光示牌19EPL-17A三相电源110EPL-11直流电源与母线111EPL-20A变压器与单相可调电源1五实验容1选择电流继电器的动作值（确定线圈接线方式）和时间继电器的动作时限。2对电流继电器和时间继电器进行元件参数整定调试。电流继电器整定成1.75A，时间继电器整定成1.2S。3按图1-3过流保护实验接线图接线。KA分别采用EPL-04的DL-21C电流继电器，KM采用DZ-31B中间继电器，4接通电源，电压从0V增大，直至保护动作，并认真观察动作过程，做好记录，深入理解多个继电器在保护电路中的作用和动作次序。图1-3a 线路过电流保护交流回路接线图图1-3b 线路过电流保护直流回路接线图六实验报告1试验结束后要认真进行分析总结，按实验报告要求与时写出过电流保护的实验报告。2叙述过电流保护整定试验的操作步骤。3分析说明过电流保护装置的实际应用和保护围。4书面解答本实验的思考题。表1-1序号代号型号规格实验整定值线圈接法整定围过电流时的工作状态1KA2KT3KS4KM实验二 低电压闭锁过电流保护实验一实验目的1掌握低电压闭锁过电流保护的电路原理，保护围和整定原则。2理解保护电路中各继电器的功用和整定方法。二预习与思考1图2-1保护装置中的电压继电器，电流继电器、中间继电器、信号继电器等在电路中各起到什么作用？2电路中各个继电器的参数是根据什么原则整定的？3假如电流继电器的线圈接入了交流电压会出现什么严重后果？误接入直流操作电压是否也会出现严重后果？三原理说明在线路过电流保护的电流继电器KA的常开触点回路中，串入低电压继电器KV的常闭触点，而KV经过电压互感器TV接至被保护线路的母线上。当供电系统正常运行时，母线电压接近于额定电压，因此电压继电器KV的常闭触点是断开的。因此这时的电流继电器KA即使由于过负荷而误动作，使其触点闭合，断路器QF也不致误跳闸。正因为如此，凡装有低电压闭锁的过电流保护动作电流（也包括返回电流）不必按躲过线路的最大负荷电流IL.min来整定，而只需按躲过线路的计算电流I30来整定，即 图2-1 低电压闭锁过电流保护装置Iop=I30 （2-1）式中，Krel为保护装置电流整定的可靠系数，对DL型继电器，取Krel=1.2；Kw为保护装置的接地系数，对两相两继电器接线为1，对两相一继电器接线为；Ki为电流互感器的变流比，保护装置的返回系数为Kre，一般为0.8。由于其Iop的减小，能有效地提高过电流保护的灵敏度。上述低电压继电器KV的动作电压按躲过母线正常最低工作电压Umin来整定，同时返回电压也应躲过Umin。因此低电压继电器动作电压的整定计算公式为Uop=0.6 （2-2）式中，Umin为母线最低工作电压，取(0.850.95)UN；UN为线路额定电压；Krel为保护装置的可靠系数，可取1.2；Kre为低电压继电器的返回系数，一般取1.25；Ku为电压互感器的变压比。低电压闭锁过电流的动作过程：在图2-1所示低电压闭锁过电流保护装置中，按正常运行时母线电压为额定值，所以给低电压继电器加入额定交流电压，此时低电压继电器KV的 常闭触点是打开的，电流继电器KA1KA2触点也处于断开位置。在保护围相间短路时，交流电压回路的电压降低至整定值，交流电流回路的电流升高至动作值，相应的低电压继电器与电流继电器均动作，接点闭合，由相应的低电压继电器起动时间继电器KT触点，KT触点连通KS线圈和KM线圈所组成的回路，使后者动作，发出跳闸脉冲使断路器跳闸。当其他线路故障时，母线电压下降，使电压继电器动作，但因电流继电器KA1KA2均未动作，故不会起动KM。四实验设备 序号设备名称使 用 仪 器 名 称数量1控制屏12EPL-01C断路器与触点控制回路13EPL-41电阻盘I14EPL-04继电器（一）DL-21C电流继电器15EPL-05继电器（二）DS-21时间继电器 DY-28C电压继电器16EPL-06继电器（四）DZ-31B中间继电器17EPL-07继电器（五）DX-8信号继电器18EPL-11交流电压表19EPL-11交流电流表110EPL-12B光示牌111EPL-17A三相电源112EPL-11直流电源与母线113EPL-20A变压器与单相可调电源1五实验容1根据教学要求确定低电压继电器的速断动作电压和过电流继电器的闭锁动作电流。在本实验中，可设定UN=28V，I30=1.75A；2根据中间继电器和信号继电器的技术参数选择操作电源电压（本实验装置选用直流220V）。3按图2-2a和图2-2b实验接线图进行安装接线。电压继电器采用EPL-05的DY-28C，同时接一交流电压表（量程为200V档）把各按钮、开关的初始位置设定如下：三相调压器旋钮置于逆时针到底位置。4检查上述接线的正确性，确定无误后，合上漏电断路器和线路电源绿色按钮开关与直流电源船形开关。图2-2a 低电压闭锁过电流保护交流回路接线图用EPL-20A模拟过电流,用EPL-17的AN相电压模拟低电压.缓慢调节三相调压器旋钮，注意观察交流电压表的读数至28V时,低电压继电器的动作情况；合上SB1按纽，逆时针调节故障点设置旋钮，注意观察过电流继电器的动作情况。图2-2b 低电压闭锁过电流保护直流回路接线图六实验报告根据低电压闭锁过电流保护的工作特性，详述保护装置的具体动作过程，分析在最大和最小运行方式下，为什么均能满足保护动作的选择性，结合思考题写出实验报告。表2-1序号代号型号规格实验整定值或额定工作值线圈接法整定围过电流时的工作状态交流电路断开时1KV2KA13KA24KT5KS6KM七实验思考如果设定UN=40V，试根据已知实验现象分析低电压继电53 / 53实验三 功率方向继电器实验一实验目的1学会运用相位测试仪测量电流和电压之间相角的方法。2掌握功率方向继电器的动作特性，接线方式与动作特性的试验方法。3研究接入功率方向继电器的电流、电压的极性对功率方向继电器的动作特性的影响。二LG-11型功率方向继电器简介1LG-11整流型功率方向继电器的工作原理LG-11型功率方向继电器是目前广泛应用的整流型功率方向继电器，其比较幅值的两电气量动作方程为：继电器的接线图如图3-1所示，其中图（a）为继电器的交流回路图，也就是比较电气量的电压形成回路，加入继电器的电流为，电压为。电流通过电抗变压器DKB的一次绕组W1，二次绕组W2和W3端钮获得电压分量，它超前电流的相角就是转移阻抗的阻抗角jk，绕组W4用来调整jk的数值，以得到继电器的最大灵敏角。电压经电容C1接入中间变压器YB的一次绕组W1，由两个二次绕组W2和W3获得电压分量，超前的相角为90度。DKB和YB标有W2的两个二次绕组的联接方式如图所示，得到动作电压，加于整流桥BZ1输入端；DKB和YB标有W3的二次绕组的联接方式如图所示，得到制动电压，加于整流桥BZ2输入端。图（b）为幅值比较回路， 它按循环电流式接线，执行元件采用极化继电器JJ。继电器最大灵敏度的调整是利用改变变压器DKB第三个二次绕组W4所接的电阻值来实现的。继电器的角a=-jk，当接入电阻R3时，阻抗角jk =，a=；当接入电阻R4时，jk =， a=。因此，继电器的最大灵敏度，并可以调整为两个数值，一个为-，另一个为-。当在保护安装处于正向出口发生相间短路时，相间电压几乎将降为零值，这时功率方向继电器的输入电压，动作方程为=，即。由于整流型功率方向继电器的动作需克服执行继电器的机械反作用力矩，也就是说必须消耗一定功率（尽管这一功率的数值不大）。因此，要使继电器动作，必须满足的条件。所以在的情况下，功率方向继电器动作不了。因而产生了电压死区。图3-1 LG-11功率方向继电器原理接线图 为了消除电压死区，功率方向继电器的电压回路需加设“记忆回路”，就是需要电容C1与中间变压器YB的绕组电感构成对50Hz串联谐振回路。这样当电压Um突然降低为零时，该回路中电流Im并不立即消失，而是按50Hz谐振频率，经过几个周波后，逐渐衰减为零。而这个电流与故障前电压Um同相，并且在谐振衰减过程中维持相位不变。因此，相当于“记住了”短路前的电压的相位，故称为“记忆回路”。由于电压回路有了“记忆回路”的存在，当加于继电器的电压时，在一定的时间YB的二次绕组端钮有电压分量存在，就可以继续进行幅值的比较，因而消除了在正方向出口短路时继电器的电压死区。在整流比较回路中，电容C2和C3主要是滤除二次谐波，C4用来滤除高次谐波。2功率方向继电器的动作特性继电器的动作特性如图7-2所示，临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点的一条直线，动作区为带有阴影线的半平面围。最大灵敏线是超前为a角的一条直线。电流的相位可以改变，当与最大灵敏线重合时，即处于灵敏角情况下，电压分量图3-2 功率方向继电器动作特性 图3-3 功率方向继电器的角度特性 图3-4 功率方向继电器的伏安特性与超前为相角的电压分量相重合。通常功率方向继电器的动作特性还有下面两种表示方法：（1）角度特性：表示Im固定不变时，继电器起动电压的关系曲线。理论上此特性可用图3-3表示，其最大灵敏度为。当jk=时，=-，理想情况下动作围位于以为中心的以。在此动作围，继电器的最小起动电压基本上与jr无关，当加入继电器的电压时，继电器将不能起动，这就是出现“电压死区”原因。（2）伏安特性：表示当=固定不变时，继电器起动的关系曲线。在理想情况下，该曲线平行于两个坐标轴，如图3-4所示，只要加入继电器的电流和电压分别大于最小起动电流和最小起动电压继电器就可以动作。其中之值主要取决于在电流回路中形成方波时所需加入的最小电流。在分析功率方向继电器的动作特性时，还要考虑继电器的“潜动”问题。功率方向继电器可能出现电流潜动或电压潜动两种。所谓电压潜动，就是功率方向继电器仅加入电压时产生的动作。产生电压潜动的原因是由于中间变压器YB的两个二次绕组W3W2的输出电压不等，当动作回路YB的W2端电压分量大于制动回YB的W3端电压分量时，就会产生电压潜动现象。为了消除电压潜动，可调整制动回路中的电阻R3，是Im =0时，加于两个整流输入端的电压相等，因而消除了电压潜动。所谓电流潜动，就是功率方向继电器仅通过电流 产生的动作。产生电流潜动的原因是由于电抗变压器DKB两个二次绕组W2W3的电压分量不等，当W2电压分量大于W3端电压分量（也就是动作电压大于制动电压）时，就会产生电流潜动现象。为了消除电流潜动，可调整动作回路中的电阻R1，使=0时，加于两个整流桥输入端的电压相等，因而消除了电流潜动。发生潜动的最大危害是在反方向出口处三相短路时，此时，而Im 很大，方向继电器本应将保护装置闭锁，如果此时出现了潜动，就可能使保护装置失去方向性而误动作。3相间短路功率方向继电器的接线方式由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向，因此，对其接线方式应提出如下要求。图3-5（1）正方向任何形式的故障都能动作，而当反方向故障时则不动作。（2）故障以后加入继电器的电流和电压应尽可能地大一些，并尽可能使接近于最灵敏角，以便消除和减小方向继电器的死区。为了满足以上要求，功率方向继电器广泛采用的是90接线方式，所谓90接线方式是指在三相对称情况下，当时，加入继电器的电流如和电压相位差90。如图3-5所示，这个定义仅仅是为了称呼的方便，没有什么物理意义。采用这种接线方式时，三个继电器分别接于、，、和、而构成三相式方向过电流保护接线图。在此顺便指出，对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错就会出现正方向拒动，反方向误动的现象。三实验设备序号设备名称使 用 仪 器 名 称数量1控制屏12EPL-09继电器（七）功率方向继电器13EPL-11交流电压表14EPL-11交流电流表15EPL-12B电秒表、相位仪16EPL-17A三相电源17EPL-11直流电源与母线18EPL-20A变压器与单相可调电源1四实验容本实验所采用的实验原理接线如图3-6所示。图中，380V交流电源经调压器和移相器调整后，由BC相分别输入功率方向继电器的电压线圈，A相电流输入至继电器的电流线圈，注意同名端方向。1.熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和相位仪的操作接线与试验原理。图3-6 实验原理接线图移相器的输出信号从EPL-17A面板的移相输出端Bf、Cf引出，送至相位仪和功率方向继电器的电流信号从EPL-20A面板下部的单相调压器34端引出，电压信号则根据电压的大小或直接从Bf、Cf引出，或经过EPL-20A的T1降压变压器引出。图中用虚线特别标明。2按实验线路接线，图中、分别和T1变压器的12端连，和T1变压器的34端断开。并检查确认两个调压器的旋钮处于逆时针到底位置。 (1) 检查功率继电器是否有潜动现象电压潜动测量：将电流回路开路，可通过断开5W电阻和变压器T2的3端连接实现。调节桌面上的三相调压器对电压回路加入110V电压 ，用万用表测量极化继电器KP两端之间电压（EPL-10面板的910端），若小于0.1V，则说明无电压潜动。3用实验法测LG-11整流型功率方向继电器角度特性Upu=f(j),并找出继电器的最大灵敏度角和最小动作电压。按实验线路接线，图中、分别和T1变压器的12端连，和T1变压器的34端断开。并检查确认两个调压器的旋钮处于逆时针到底位置。(1) 顺时针调节EPL-20A的单相调压器，使电流表的读数为1A，并在以后的实验中保持不变。(2) 顺时针调节桌面上的三相调压器旋钮，使交流电压表的读数为100V，观察光示牌的动作情况：(a) 若光示牌亮，则顺时针摇动移相器手柄，同时观察相位仪的读数，读出当光示牌从亮到灭时，相位仪的角度（临界角度j1）并填入表7-1，然后继续逆时针摇动手柄，直至光示牌重新亮，再反方向缓慢摇动手柄，读出当光示牌再次灭时相位仪的读数（临界角度j2）。(b) 若光示牌灭，可参考上述方法，分别读出两个临界角度j1和j2。(3) 逆时针调节桌面上的三相调压器旋钮，当电压分别为80V、50V、30V、20V，按照前述方法，摇动移相器手柄，观察相位仪和光示牌的动作情况，读出两个临界角度j1和j2，填入表3-1中。(4) 改变接线方式，断开、和T1变压器12端的连接，分别将、和T1变压器34端的连接。然后调节三相调压器，当电压表读数分别为10V、5V、2.5V、2V时，继电器动作的临界角度j1和j2。注意：由于电压低时，改变电压对临界角度j1和j2的影响较大，所以要求尽可能在摇动移相器手柄时，同时调节三相调压器旋钮，使输出电压保持不变。由于相位仪要求一定的输入电压（当电压信号太低时，会对相位仪的稳定性产生影响）。(5) 保持电流为1A不变，通过移相器改变j角，测量不同j角情况下，使继电器动作（光示牌由不亮变亮）的最小动作电压，并填入表3-2中。注意：当移相角调到j角后，调节三相调压器改变输出电压会对j角产生影响，所以须对移相器和调压器进行同时调节以确保数据准确。表3-1 角度特性 Upu =f(j)实验数据U(V)100805030201052.52j1j2表3-2 角度特性 j=f(Umin)实验数据jj1j2Umin (V)(4) 绘出功率方向继电器的角度特性；(5) 计算继电器的最大灵敏度角=(j11+j2)/2,绘制角度特性曲线，并标明动作区。4用实验法作出功率方向继电器的伏安特性Upu=f(Ir)和最小动作电压。(1) 摇动移相器的手柄，使=(j11+j2)/2，并保持不变。(2) 调节三相调压器的电压至100V并保持不变。(3) 调节EPL-20A的单相调压器，改变输出电流，记下使继电器动作（指示灯由不亮变亮）的电流表的读数填入7-3中。(4) 参考步骤三，分别调节三相调压器的电压至80V、50V、30V、20V、10V、5V、2.5V、2V，改变输入电流使继电器动作，记下此时的电流值；(5) 注意找出使继电器动作的最小电压和电流；(6) 绘出Upu=f(Ir)特性曲线。表3-3 伏安特性Upu=f(Ir)实验数据Upu(V)100805030201052.52Ir五思考题1功率方向继电器为什么会有死区？应如何消除死区？2用相量图分析加入功率方向继电器的电压、电流极性发生变化对动作特性的影响？3LG-11整流型功率方向继电器的动作是否等于180？为什么？4整流型功率方向继电器的角度特性与感应型功率方向继电器角度特性有什么差异？5功率方向继电器为什么要采用90接线？用0接线行不行？6改变角a对保护动作性能有何影响？它有何实质意义？7角度特性与伏安特性有什么用途？附：LG-11/12型功率方向继电器一技术数据1额定数据额定电流：5A或1A。额定电压：100V。额定频率：50Hz。2继电器的灵敏角：LG-11型，-300或-450，LG-12型+700；灵敏角的误差50。3在灵敏度下通入额定电流时继电器的动作电压不大于2V。4返回系数：继电器的返回电压和动作电压之比不小于0.45。5动作时间：对于LG-11型，在灵敏角下，电压由额定突然降4倍最小动作电压，电流同时由0升至额定电流时，动作时间不大于30ms；对于LG -12型，在灵敏角下，同时突然加入额定电流和4倍最小动作电压时，动作时间不大于40ms。6记忆时间，对于LG-11型，当模拟保护出口处短路在灵敏角下，突然如额定电流与10倍额定电流，电压自100V同时突然降到0的情况下，继电器应可靠动作，其极化继电器动作保持时间不小于50ms。7功率消耗：电流回路不大于6VA，电压回路不大于20VA。8继电器可以长期耐受1.1倍的额定电压与额定电流。9当电压不大于220V电流不大于1A时，触点能断开直流有感负荷（时间常数不大于510-3S）20W。10继电器电路与外壳间的绝缘电阻在温度+40与相对湿度为85%时不小于10M。11继电器的绝缘强度应耐受交流50Hz电压2kV历时1min的耐压试验而无击穿或闪络现象。二使用与维护继电器在使用前应首先检查运输中是否发生损坏，先进行机械检查各螺钉是否紧固，各焊点是否牢固可靠，然后检查极化继电器，将极化继电器（2）-（3）短接，（1）和（4）加电流，（4）为正极性，要求动作电流不大于1mA，返回系数不小于0.5，触点间隙不小于0.2mm。如发现不符合要求时，可以调整左止挡螺钉，以改变动作电流值，调整右止挡螺钉，以改变返回电流值。如调整止挡螺钉达不到要求时，允许移动瓷座位置来调整，直到满足要求为止。调好极化继电器后将极化继电器插上，进行电气性能检查，先进行潜动检查，电压回路经20短路，电流回路通入额定电流，测量极化继电器线圈上，即（9）（10）端子上的电压调整R1使电压为零，然后在电压回路加电压100V，电流回路开路测量极化继电器线圈电压，调整R2使为零，反复调整电压电流潜动，使极化继电器线圈线圈电压为零，然后在上述条件下突然加入与切除10倍额定电流或100V电压，继电器触点不应有鸟啄现象。如发现在切除大电流或100V电压时触点有鸟啄现象，可更换比较回路电阻或电容使制动回路电容放电时间常数不小于工作回路电容放电时间常数。更换后应重新进行潜动调整，潜动调整完毕后，将电位器制动螺母锁紧，然后再检查继电器的灵敏角和灵敏度与返回系数，应满足技术要求。对于LG-11型发现灵敏角超差，应检查电压谐振回路是否失调，加电压100V时应满足Uc-UL=10-15V可通过改变电感抽头与增减一小绕组来达到，同时进行记忆特性试验，当模拟出口处短路，电压自100V突然降到零，电流不大于0.2倍额定电流的情况下继电器应可靠动作，然后再作瞬变检查，在最大灵敏角反向处突然加10倍额定电流同时100V电压突然降到零时继电器应无鸟啄现象。实验四 LZ-21方向阻抗继电器特性实验一实验目的1. 熟悉整流型LZ-21型方向阻抗继电器的原理接线图，了解其动作特性。2. 测量方向阻抗继电器的静态特性，求取最大灵敏角。3. 测量方向阻抗继电器的静态特性，求取最小精工电流。4. 研究方向阻抗继电器记忆回路和引入第三相电压的作用。二LZ-21型方向继电器简介1距离（阻抗）保护的作用在电力系统日益扩大，电压水平越来越高，以与系统运行方式多变的情况下，电流、电压保护难于满足电网对保护的要求。例如，高压长距离重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流的数值与负荷电流相差不大，电流保护往往不能满足灵敏度的要求。另外，电流、电压的灵敏度（保护围）随系统运行方式的变化而变化，在某些运行方式下，无时限速断或带时限速断保护围将变的很小，甚至没有保护区。因此，在高电压电网中，需要有适用于容量大，电压高，结构复杂，运行方式多变电网的保护装置，距离（阻抗）保护就是适用此要求的一种。所谓距离保护，就是指反应保护安装处至短路故障点的距离，并根据这一距离的远近而确定是否动作的保护装置。与电流、电压保护一样，距离保护也有一个保护围，短路发生在这一围以，保护动作，否则不动作。这个保护围通常是用给定阻抗值的大小来实现的，这个给定阻抗成为整定阻抗（用Zset表示），当线路发生短路时，若距离保护测量到的阻抗（用Zm表示），小于整定阻抗Zset，即ZmZset，则保护不动作。因此，距离保护实际上是一种低动作量的阻抗保护。2阻抗保护继电器的基本构成原理LZ-21型整流型方向阻抗继电器，就是构成距离保护的主要设备，它既能测量阻抗又能判别方向，广泛应用于电力系统的大电流或小电流接地系统的距离保护中作为测量元件。（1）LZ-21型方向阻抗继电器构成原理与整定方法距离保护能否正确动作，取决于保护能否正确的测量从短路点到保护安装处的阻抗，并使该阻抗与整定阻抗比较，这个任务由阻抗继电器来完成。阻抗继电器的构成原理可以用图10-1来说明。图中，若K点三相短路，短路电流为Ik，由TV回路和TA回路引至比较电路的电压分别为测量电压Um和整定电压Uset，那么 （4-1）式中： 电压互感器和电压变换器的变比Zk 母线至短路点的短路阻抗当认为比较电路的阻抗无穷大时，则：（4-2）式中：ZI 人为给定的模拟阻抗图10-1 阻抗继电器的构成原理说明图1比较电路 2输出比较式（4-1）和式（4-2）可见，若假设，则短路时，由于线路流过同一电流Ik，因此在比较电路上比较Uset和Um的大小，就等于比较 ZI 和Zm 的大小。如果Um Uset，则表示Zm ZI，保护不应该动作；如果Um Uset，则表示ZmZI，保护应动作。阻抗继电器就是根据这一原理工作的。我们知道电抗变压器的DKB的副方电势与原方电流成线形关系，即。在此是一个具有阻抗量纲的量，当改变DKB原方绕组的匝数或其他参数时，可以改变的大小。电抗变压器的值即为模拟阻抗ZI。在图4-1中，若在保护围的末端发生短路，即Zk=Zset，那么比较电路将处于临界动作状态，即Um= Uset，这时由式（4-1）和式（4-2）可得所以 （4-3） 式中。式（4-3）表明，整定阻抗Zset是一个与DKM的模拟阻抗 ZI和电压变换器T的变比有关的阻抗，当适当调节DKM原方绕组的匝数和调节的大小时，可以得到不同的整定阻抗值。例如：当时，若要整定阻抗为，则YB 抽头可选10匝。（2）LZ-21型方向继电器原理图分析图4-2为其原理图。由TA引入的电流接于电抗变压器DKB的原方端子21222324。在它副方，得到正比于原方电流的电压，DKB的原方有几个抽头，当改变抽头位置时可改变ZI值。由TV引入的电压接于电压变换器YB的原方端子272931，用于引入电压UA、UB、UC，YB 副方每一定匝数就有一定抽头，改变抽头的位置即可改变，也可改变Zset的大小。JJ为具有方向性的直流继电器（又称极化继电器）。端子3230、28为极化继电器接点桥的输出。端子343638为继电器I、II段切换的接点。当3436连通时，I段通，当3438连通时，II段通。LZ-21型方向阻抗继电器面板上有压板Y用于调整最大灵敏角。继电器是按比较两个电气量的绝对值大小而构成的动作方程式：图4-2 LZ-21阻抗继电器原理接线图（4-4）不等式左边一项称为工作电压，右边一项为制动电压，当动作电压大于制动电压时，继电器动作。上式中：Uk为电抗变压器DKB的补偿电压，UY、UJ分别为整定变压器T，极化变压器TP的二次电压。Uk=KkIcL与测量电流成一定比例关系（转动一定角度）的电压，Kk具有阻抗量纲，为电抗变压器的转移阻抗。UY=KJUcL与残压UCL成一定比例关系的被测电压，KY为一实数，即整定板所表示的百分数。UJ=KJUcL与测量电压UCL成一定比例关系的电压，作为参考向量的极化电压，KJ为一实数。图4-3 边界条件下矢量图当（UK-UY）与（UJ）夹角为90度时方程式变为：=（4-5）此时继电器处于平衡状态，为动作边界条件，矢量关系如图4-3。在R、X坐标轴上的矢量图见图4-4。由图4-4可见，方程（4-4）式轨迹为一过坐标轴原点的圆，圆动作。圆外制动、边界条件下，方程式两边相等。方向阻抗继电器具体由以下几部分组成（交流形成，整流比相与执行回路）。图4-4 LZ-21阻继电器的特性图交流形成回路：1） 极化电压UJ=KJUCL取自电感LJ和电容CJ组成的谐振回路中电阻RJ上的压降。这个回路绝大部分电阻都集中在RJ上，所以RJ上的电压的相位接近于测量元件端子上所加的电压UCL，极化电压幅值大小，对短路阻抗的测量并无影响。它的作用只是判定短路的方向。上述谐振回路，在本保护装置中称为记忆回路，当保护装置安装点发生三相金属性短路时，元件端子电压突然降到零，但由于谐振回路中抗，电流是按50Hz频率逐渐衰减，故在两故障相导线中仍有电流流过，这两个电流可能在相位上和数值上不一样，因而在联结电缆中产生不同的电压降，使接在故障相上的继电器端子上出现电位差，这个电位差便成为极化电压，在记忆作用消失后，可能使继电器误动作，为了克服这种可能性，故在谐振回路的电感与电容之间经一高电阻R6接至第三相电压，极化电压电压经极化变压器TP，分成两个一样的次级电压，分别施加到两个比较臂的交流测。2）电压UY=KYUCL经变压器T与继电器端子电压准确地保持一定比例关系，并且相位一致，变压器T的次级有若干抽头，用来改变变比，以获得不同的整定值，T整定板有两组，可独立地选取不同的整定值。一组为第I段整定板，另一组为第II段整定板，正常时第I段经切换继电器触点接通，故障时如短路阻抗超过第I段整定围，经切换继电器切换至II段。图4-5阻抗继电器DKB移相接线图3）电压UK是由一个有气隙的电抗变压器DKB获得的，若它次级有电阻负载，超前的角度就要减少，改变负载电阻值，故称其最大灵敏角，改变DKB移相绕组所接Rj的阻值即可进行灵敏角的调节，DKB移相绕组回路中还串入两个反向并联二极管，如图4-5。其作用是使不同最大灵敏角下，精确工作电流一致，即在电流较小的情况下，实际上的最大灵敏角已变小，此时移相绕组二次电压低，二极管不能导通，移相电阻Rj相当未接入一样（提高了最大灵敏角）。在电流大时二极管导通，相当于二极管未接入一样，所以正常情况下最大灵敏角不受影响。而使最小精确工作电流在各种灵敏角下，都趋于一致。DKB的初级有两个绕组按相电流之差接入电流。每个绕阻由三个小绕组构成，由联接片串联而成。当YB保持不变，改变联接片的位置可使动作阻抗减小，最小可减至基础阻抗的十分之一，次级绕组中点有抽头（改变QP片位置）可成倍减小整定阻抗。（3）LZ-21阻抗继电器比相电路分析图4-6 用极化继电器做执行元件的环形整流比相回路LZ-21阻抗继电器执行元件的环形整形比相电路，如图4-6（a）所示，它实际上是一相敏整流电流，其输入端分别接入比相的两电气量UC、UD，输出电压Umn平均值的大小和极性与输入端电压UC、UD的相位有关。为了提高比相电路的输出电压，在二极管支路中串入一样的电阻R1R4，适当选取它们的阻值，有利于提高继电器的动作速度。滤波电容C1C4，是为了滤除交流分量，以防止执行元件抖动，保证阻抗继电器动作特性圆的边界明确，同时提高了继电器的灵敏度，电容C的数值，也要适当选取。这一电路的等效电路如图（b），图中 ，正半周时，和分别产生电流和，并分别通过电阻RJJ1和RJJ2；负半周时，和分别产生电流和，并分别通过电阻RJJ1和RJJ2；输出电压为:相敏整流电路输出电压Umn平均值的大小和极性与输入端电压、的相位有关。图中和同相，与同相，和之间的相位q变化时，输出电压Umn平均值的大小和极性变化情况的分析，可参阅有关资料。图4-7 环形整流比相电路输出电压平均值与比相叫的关系曲线由分析可知，环形整流比相回路Umn与两比相电气量相位角q之间的关系如图4-7所示，由图可见，当时，Umn.pj 为正最大值；当时，Umn.pj=0；当时，Umn.pj为负最大。显然，输出电压平均值为正值的比相角的围是：此式满足LZ-21型方向阻抗继电器对比相回路动作条件的要求。（4）LZ-21型方向阻抗继电器的死区与消除办法方向阻抗继电器在保护安装处正向正向出口发生金属性短路时，其测量电压值小于继电器的最小动作电压，继电器将拒绝动作，这一不动作区通常称之为方向阻抗继电器的死区，方向阻抗继电器必须消除死区才能正确工作。LZ-21型方向阻抗继电器为消除死区，在继电器的相位比较电气量中引入与测量电压同相位的带有记忆作用的极化电压，引入了极化电压后，方向阻抗继电器的动作方程为：当保护安装处正向出口发生金属性短路时，于是，这时方向阻抗继电器的动作方程为：方向阻抗继电器仍正确动作，因而消除了正向出口短路时的拒动现象。总之，极化电压对于消除方向阻抗继电器正向出口金属性短路时的死区，可靠避免反向出口短路时保护的误动是不可少的但是，如何引入极化电压呢？其要：（a）无论保护安装处正向。反向出口短路，都应该存在；（b）的相位应与测量电压一致并保持一定的数值。LZ-21方向阻抗继电器引入的电路如图4-8所示：图4-8 通过高值电阻接于第三相电压的原理接线图和向量图图48（a）为AB相阻抗继电器通过高值电阻R6接于第三相电压获取极化电压的原理接线图。图中RJ 、CJ 和LJ构成谐振记忆回路，辅助电压变换器TP的一次绕组接于RJ两端，由TP二次侧两个一样的绕组获得极化电压。由于谐振回路中电抗和感抗相等，即，故与测量电压一样。当保护安装处正、反相出口发生三相短路时，,记忆回路以f0为谐振频率自由振荡。若电网频率f与谐振频率f0 相等，的相位维持不变，使阻抗继电器动作。当保护安装处正、反相出口AB两相短路时，测量电压，这时极化电压回路如图4-8（b）所示，各电压的相量图如图12-8（c）所示。通过电阻RJ的电流为：由于，则上式可以写为：由上式可见，超前于，也就是和故障前的同相位，如图4-8（c）所示。 极化电压的数值可由选择适当的参数CJ、LJ、RJ和变比来获得，以使方向阻抗继电器正确动作，消除正向出口短路时可能的误动作。3LZ-21方向阻抗继电器的特性（1）LZ-21阻抗继电器的特性前述分析可知LZ-21型方向阻抗继电器的动作特性方程为：其中： 图4-9阻抗继电器的特性图此为过原点的圆方程如图4-9实线所示，由图可见方向阻抗继电器的动作特性圆点的圆经过原点，由于特性圆的圆是动作区，圆外是不动作区。圆周上是临界动作区，就意味着在保护正方向出口处短路时（母线残压近似为0）阻抗继电器将出现死区，因此LZ-21型方向阻抗继电器在静态情况下显示出来的特性如图10-9中虚线所示，在原点O附近有一个凸区，这表示在静态情况下，方向阻抗继电器在原点附近（短路在母线出口处时）不会动作，但是，由于LZ-21引入了极化电压， 故在动态与第三相电压的作用下能够消除凸区使继电器正确动作。（2）LZ-21型方向阻抗继电器的特性阻抗继电器的几种主要指标的概念任一个阻抗继电器做好之后。可以通过实验作出在给定整定阻抗Zset 条件下，动作阻抗与测量电流Im的关系曲线： ，图4-10示出全阻抗继电器的特性。 从这一关系曲线可以说明表征阻抗继电器的几个主要技术指标。图4-10 方向阻抗与测量电流的关系曲线a最小动作电流当阻抗继电器的测量电压时，使继电器动作的最小测量电流称为最小动作电流，如图4-10中所示，这是因为继电器动作需要克服执行元件和比较回路电压降之和的电压U0的缘故。b.最小精确工作电流所谓“精确工作电流”，就是指当时继电器的起动阻抗等于0.9倍整定阻抗，即时所对应的测量电流，这时起动阻抗的误差为10%。显然由图4-10可看出精确工作电流有两个数值，当测量电流较大时，（曲线上的B点）对应的测量电流称为最大精确工作电流。考虑到在保护围末端短路时，流经保护的最大短路电流一般小于以与在被保护线路始端短路时，流经保护的短路电流值较大，虽然阻抗继电器的起动阻抗减小，但总是可以动作的。所以最大精确工作电流一般没有实际意义，而最小的精确工作电流（曲线上A点对应的测量电流）则必须考虑，因此在被保护围末端短路时，流经保护的短路电流可能不大，为使动作阻抗的误差不超过10%，这时短路电流应等于或大于最小精确工作电流。最小精确工作电流是衡量阻抗继电器灵敏度的一个重要的指标，其值越小越好。由于与U0成正比，所以提高执行元件的灵敏度，减小U0便可以使减小。还与电抗变压器的转移阻抗值成反比，因此，在实际工作中，如果测量阻抗继电器的精确工作电流大于指标要求，则可以适当增加DKB铁心磁路空气隙的坡莫合金片，增加补偿租用，提高值，使精确工作电流指标合格。c最小精确工作电压 最小精确工作电压是最小精确工作电流与整定阻抗的乘积，即与无关，不随DKB的的改变而改变，而是一个常数，因为当DKB的一次抽头减小时，减小而却增加。是衡量阻抗继电器质量的一个指标四实验设备序号型号名称与说明数量备注1控制屏与控制柜12EPL-11直流电源、交流仪表13EPL-20A变压器与单相可调电源14EPL-12B相位仪、光示牌15EPL-30继电器组件（十）16EPL-14按钮与电阻盘17EPL-17A三相电源1五实验容1测量最大灵敏度角。测量方向阻抗继电器的静态特性，继电器的整定阻抗，整定灵敏角，不接第三相电压。（1）短接继电器端子3436使方向阻抗继电器切换在距离I段，整定变压器选I段粗调整定在40%。（2）按图4-11接线。图4-11 LZ-21阻抗继电器静态特性实验接线图RP选用EPL-14的双联可调电阻，中间引出端接交流电压表，量程为20V档；KA采用EPL-14的自锁按钮SB1，并置SB1于闭合位置；交流电流表的量程为2A，T位于ETP-28；（3）检查无误后，再请指导老师检查，方可进行下一步操作。（4）合上漏电断路器和线路电源绿色按钮开关。缓慢调节三相调压器旋钮，注意观察EPL-11交流电压表的读数至100V；缓慢调节自偶调压器旋钮，使交流电流表的读数为1A；（5）缓慢调节EPL-14的双联可调电阻，改变输入阻抗继电器的电压值，使EPL-11交流电压表的读数为10V；（6）调节移相器改变电流和电压的相位角，使自向-方向增大，读取使继电器动作（由灯不亮到灯亮）的角度。注意：在实验过程中，需保持ETP-28的电压表读数不变。（7）继续调节移相器。增大角，此时，继电器一直处于动作状态，当继电器返回时，再慢慢减小角，使继电器再次动作记录动作角，并由下式计算最大灵敏角。2测量方向阻抗继电器的静态特性，（接第三相电压）（1）. 保持上述接线与阻抗继电器的整定值不变，调节单相调压器，使继电器加入的电流为1A并维持不变，再调节三相调压器，使相位仪的工作电压为100V。（2）.调节移相器改变相角，分别按表10-1中所列的各值，使继电器的电流与电压间的相位角从到之间开始逐次改变，在各相位角下缓慢调节电阻R，将电压由高向底调节至使方向阻抗继电器从不动作状态转为动作状态，记录动作电压，继续减小电压，当继电器返回时在增大电压，是继电器再次动作，记录动作电压，记录每一角度下的动作电压，填入表4-1中。（3）计算各相位角下的阻抗，并在复平面上绘制出的动作特性圆。3方向阻抗继电器的静态特性，求最小精工电流（不接第三相电压）（1）保持上述接线与阻抗继电器的整定值不变，调整输入电压和电流的相角差为-72度并保持不变；（2）将电流回路的输入电流，调到某一值；（3）调节三相调压器电压，使相位仪电压为100V，调节电阻R，使继电器电压由高至低调节至方向阻抗继电器动作，记录相应的动作电压值U。（4）改变输入电流，重复上述操作，测量结果填入表4-2中；（5）绘制方向阻抗继电器静态特性的曲线；（6）在特性曲线上确定最小精工电流和最小动作电流表4-1 方向阻抗继电器静态特性测试（V）（V）表4-2 方向阻抗继电器的静态特测试测试1.51.00.80.60.40.20.160.10.063记忆作用检验（1）按图4-12接线。接入电秒表和移相器输出电压（2）合上漏电断路器和线路电源绿色按钮开关与仪表电源开关。（3）缓慢调节三相调压器旋钮，注意观察交流电压表的读数至100V；缓慢调节自偶调压器旋钮，使交流电流表的读数为1A；用移相器改变电流和电压的相位角，使电流与电压间的相位角为最大灵敏角。（4）闭合KA1，缓慢调节EPL-14的双联可调电阻，使交流电压表的读数为0V；（5）分别断开KA1 和KA2，并对电秒表进行复位清零。（6）迅速合上KA1，使加到方向阻抗继电器的电压突然降到零，记录电秒表的读数即为继电器触点接通时间t= 。（7）加入第三相电压，即合上KA2，重复上述试验。当电压突然降到零，阻抗继电器触点应能可靠闭合并自保持在闭合状态。4方向性检查（1）将电流极性反接，使电流滞后电压的相位角（反方向）。（2）使电压突然降到零，继电器应可靠不动作。5方向阻抗继电器返回系数测定在最大灵敏角处测量方向阻抗继电器的返回电压值，计算其返回系数。Kf=Zf.j/Zdzj=Ufj/Udzj六思考题1分析实验所的和特性曲线，找出有关的动作区、死区、不动作区。2讨论电压回路和电流回路所接的滑线变阻器的作用。3研究记忆回路和引入电三相电压的作用。4按图4-11的实验原理图接线，对应阻抗继电器的哪种接线方式？其对应的特性有什么特点。5如果LZ-21继电器的模拟阻抗，若整定阻抗，请问的抽头放在什么位置？附：LZ-21方向阻抗继电器技术要求注：此技术要求按5A规格给出，当为1A规格时，其工作电流精工电流值减小5倍，阻抗值增大5倍。1额定值：（1）交流额定电压：100V（相间）（2）交流额定电流：5A，1A（相）（3）额定频率：50Hz2功率消耗：额定电流与电压下（1）电流回路：电抗变压器DKB整定在20匝时，每相不大于5VA。（2）电压回路：变